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封闭水域大型移动式水质净化系统开发与应用

2017-04-01

大面积水域的水质净化问题是一个世界性的难题,特别是湖泊、水库库湾、景观水体等相对封闭水域水体流动性和交换能力差,污染物质难以扩散、降解和净化,一旦遭受污染,极难自净恢复。由长江水利委员会长江科学院承担完成的国家科研院所技术开发研究专项资金项目“封闭水域大型移动式水质净化系统开发与应用”,针对湖泊水库等相对封闭水域污染物类型,研制出移动式水质净化系统,系统上搭载“吸附单元”“微孔曝气单元”和“微电流电解单元”等水处理单元,根据不同污染水体,将不同单元进行优化组合,有针对性地进行污染治理,通过移动式水质净化系统在水体表面的移动,使水处理单元与污染水域直接接触,进而实现对污染水体的原位处理,同时,该移动式水质净化系统处理过程可自动控制。

围绕移动式水质净化系统核心技术,项目获得了4项发明专利(封闭水域大型移动式水质净化系统,专利号:ZL201110308276.2;一种突发性水污染事故应急处理系统,专利号:ZL201310259453.1;一种镁矿渣填料床磷回收系统及方法,专利号:ZL201410186028.9;一种太阳能富营养化水体处理及磷回收一体化装置,专利号:ZL201410634468.6)和3项实用新型专利(一种改进的异形圆环闭合曝气管,专利号:ZL201420564759.8;一种浮标式水体蓝藻电化学治理装置,专利号:ZL201020548904.5;一种废水中高浓度磷的去处装置,专利号:ZL201520570810.0)。移动式水质净化系统上搭载的控制系统软件“水质在线检测和信息反馈控制系统”获得计算机软件著作权登记证书1份(软著登字第0928613号)。依托该项目研究成果发表论文11篇,其中SCI论文4篇,EI论文1篇,中文核心期刊6篇,学术论文《微电流电解对铜绿微囊藻叶绿素荧光特征的影响》荣获中国环境科学学会2014年学术年会“光大环保优秀论文奖”二等奖。项目团队骨干成员林莉博士入选中国科协首批“青年人才托举工程”。

一、项目完成情况

(一)完成了封闭水域污染物种类及治理现状的归纳和整理

调查分析了景观水体、湖泊水库、游泳池等典型封闭水域中污染物的种类以及特征污染物的浓度范围,并对各种特征污染物的现有处理技术进行了归纳。选择富营养化水体常见污染物氨氮、总磷、藻类及游泳池常见污染物尿素、细菌为研究重点,对其治理技术现状进行调研。总结出适宜于封闭水域污染治理的环境友好型水处理技术,包括吸附净化技术、曝气技术和电化学水处理技术等,提出相关技术的适用范围。为封闭水域大型移动式水质净化系统水质净化单元的构建和设计提供了基础支撑。

(二)完成了封闭水域大型移动式水质净化系统总体框架的构建

对封闭水域大型移动式水质净化系统进行总体框架构思,构建移动式水质净化系统上的各个水处理单元以及水质在线检测和信息反馈系统,明确了各个水处理单元的具体使用功能及需要达到的使用目标,明晰了水质在线检测和信息反馈系统的作用功能和工作方式,举例说明了移动式水质净化系统的具体运行方式。为封闭水域大型移动式水质净化系统的总体框架构建和系统设计提供了基础支撑。

(三)完成了吸附单元对目标污染物去除作用及效率的小试研究

采用系列吸附实验获得快速高效的氮磷吸附材料活性氧化铝,提出吸附单元基本设计参数。通过室内及室外实验,主要完成了以下研究内容:(1)高效、快速和廉价易得的氮磷吸附材料优选;(2)氮磷等营养盐的吸附最优工艺参数确定;(3)吸附材料去除氮磷营养盐的最佳环境条件研究;(4)吸附材料的再生方法和利用效率探索。为封闭水域大型移动式水质净化系统吸附单元设计提供了基础支撑。

(四)完成了微孔曝气单元对目标污染物去除作用及效率的小试研究

研究了微孔曝气装置对封闭水域中氮磷营养盐的去除作用及效率,从水体微生物角度阐述了微孔曝气装置去除封闭水域中氮磷营养盐的机理,进行了室内、室外验证,主要从五方面进行了研究:(1)微孔曝气及微纳米曝气对水中的氮磷营养盐的去除比较;(2)微孔曝气装置对封闭水域中氮磷营养盐的去除作用研究;(3)曝气对水体中微生物群落代谢功能的影响;(4)微孔曝气装置与吸附装置、微电流电解装置对封闭水域中氮磷营养盐的协同处理效果;(5)微孔曝气装置与移动式水质净化系统的接口参数。为封闭水域大型移动式水质净化系统曝气单元设计提供了基础支撑。

(五)完成了微电流电解单元对污染物去除作用的研究及机理探讨

开展了微电流电解单元对污染物去除作用研究及机理探讨,完成了以下研究内容:(1)微电流电解技术灭藻试验研究,考察了技术工艺条件,并对灭藻机理进行了分析,开展了野外放大实验,考察了技术适用性及工艺参数;(2)微电流电解技术去除尿素试验研究,对去除作用及去除机理进行了探讨,开展了现场放大实验,考察了技术适用性及工艺参数;(3)微电流电解单元在移动式水质净化系统上应用模式的研究,主要考察电解单元电极材料尺寸、布设方式、电化学参数的设置等。为封闭水域大型移动式水质净化系统微电流电解单元设计提供了基础支撑。

(六)完成了不同处理单元协同去除污染物的研究

通过将微孔曝气、吸附、微电流电解技术进行不同组合,研究了不同组合方式对水体中污染物的去除效果,为封闭水域大型移动式水质净化系统设计和野外原型试验提供了基础支撑。

(七)完成了移动式水质净化系统原型设备的研发和应用

通过不同处理单元的小试实验,确定了各处理单元设计技术参数,在小试基础上,研制了3.2m×1.8m封闭水域原型移动式水质净化系统。将原型移动式水质净化系统应用于武汉市后官湖水体净化,进行了交替的电解、曝气处理以及持续的吸附处理。经过2小时的处理,水体中氨氮浓度从2.10mg/L(劣V类水)降低到1.40mg/L(满足IV类水质标准),降低了33.3%;磷酸盐浓度从0.22mg/L(劣V类水)降低至0.10mg/L(满足IV类水质标准),降低了54.5%;处理过程中藻类失活率达到90%以上,达到了预期的净化效果。

二、攻克的关键技术

1.可移动、可组合的水质净化处理方式。探索可在大型水域表面进行移动式原位处理的水质净化系统,以及相应的移动式水质净化技术参数。同时还可拼接组合,以适应不同水域面积水体的治理需求。

2.多种水处理技术的优化组合和技术集成。封闭水域的污染种类较多,针对不同种类的污染物,将多种物理化学技术进行优化组合和技术集成,使水处理单元发挥协同作用,有效针对不同污染类型水域进行治理。

3.水质信息反馈及水质净化控制的实现。水质信息反馈设施包括采样装置、预处理装置、分析监测装置和数据计算软件,可对水质信息进行监测和反馈。水质净化控制设施根据监测获得的目标污染物种类和浓度,通过相应的软件计算目标污染物的处理负荷,根据计算结果来确定各物理化学单元的组合方式及工作参数,并对各处理单元进行控制。

三、应用情况

该项目成果在武汉市后官湖进行了初步应用。对于体积为50m3、氨氮和总磷浓度均超过Ⅴ类的水体,2小时内可处理至Ⅳ类标准,处理过程中藻类失活率达到90%以上。该系统每年可消减总氮排放153.3千克,减少总磷排放24.1千克。

“封闭水域移动式水质净化系统”和“微电流电解抑藻技术”被水利部科技推广中心认定为水利先进实用技术,入选《水利先进实用技术重点推广指导目录》。

“封闭水域移动式水质净化系统”作为长江水利委员会“长江经济带水安全保障技术”的主要科研成果,参加了2016年6月举办的“十二五”国家科技创新成就展。

四、推广前景分析

2013年中国环境状况公告显示,全国地表水污染严重,长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系均遭受污染,湖泊(水库)富营养化问题依然突出。这些遭受污染的地表水体难以通过自身净化能力将污染物降低至可接受的水平,因此亟需对其进行有效的水体治理。

该项目开发的封闭水域移动式水质净化系统分基本型、简化型和组合型三种。基本型适用于小型水域水质净化,简化型适用于游泳池、景观水体处理,组合型用于大面积水域水质净化处理。项目研制的基本型移动式水质净化系统按照每天工作24小时、每年工作365天计,年处理水量为21.9万吨(相当于水深2米、水面面积164亩的水域)。无占地要求,可实现24小时无人值守运行,节约物力和人力成本。

项目开发的封闭水域移动式水质净化系统可对各种经济高效的物理化学处理单元进行优化集成,能够适应不同污染状况的封闭水域,具有适应范围广、灵活方便等优点。该系统还可应用于突发性水污染事件,能够快速高效地处理水域表面的污染物。

五、研究团队

项目承担单位:长江水利委员会长江科学院。

项目负责人:李青云教授级高级工程师。

项目主要骨干:林莉高级工程师;汤显强高级工程师;赵良元高级工程师;吴敏高级工程师;董磊工程师;刘敏工程师。